Durchflussmessung in Rohrleitungen: Verfahren, Normen und Geräte

Das Wichtigste auf einen Blick

Was vor der Gerätewahl festgelegt wird

Am Anfang steht die Messaufgabe, nicht das Gerät. Zu klären sind Messgröße, Messbereich, zulässige Messunsicherheit, Druckverlust, Messstoffeigenschaften und Einbauort. Wer diese Punkte vorher schriftlich festhält, kann die Auswahl später begründen und gegenüber der Betriebsleitung vertreten.

Die Messgröße entscheidet über das Prinzip. Den Massestrom liefert nur der Coriolis-Messumformer direkt. Alle übrigen Verfahren erfassen ein Volumen oder eine Strömungsgeschwindigkeit. Für Gase und Dämpfe wird meist der Normvolumenstrom angegeben, der über Druck und Temperatur auf Normbedingungen umgerechnet wird.

Messunsicherheiten werden entweder in Prozent vom Messwert oder in Prozent vom Messbereichsendwert angegeben. Ein Gerät mit 0,5 Prozent vom Endwert erreicht bei halbem Durchfluss nur noch ein Prozent vom Messwert. Diese Unterscheidung erklärt, warum Datenblätter bei kleinen Durchflüssen häufig den Endwert nennen.

Die Reynoldszahl zeigt, ob die Strömung laminar oder turbulent ist. Sie bestimmt die Geschwindigkeitsverteilung über dem Rohrquerschnitt. Wasser mit etwa einem Meter pro Sekunde in DN 200 liegt deutlich im turbulenten Bereich, was Wirbelzähler und Blende voraussetzen.

Hinzu kommt die Frage der Verfügbarkeit. Ein Gerät, das im Störfall nicht ohne Anlagenstillstand getauscht werden kann, verursacht Folgekosten, die den Kaufpreis schnell übersteigen. Bei eichpflichtigen Messungen kommen Fristen, Prüfstellen und dokumentierte Nachweise hinzu.

Die sechs Verfahren im Detail

Coriolis: Masse direkt gemessen

Beim Coriolis-Verfahren schwingen ein oder zwei Messrohre, die vom Medium durchströmt werden. Die Strömung verschiebt diese Schwingung, und die Phasendifferenz zwischen Ein- und Auslauf ist proportional zum Massestrom. Das Gerät liefert zusätzlich die Dichte des Mediums.

Typische Messunsicherheiten liegen bei 0,1 bis 0,2 Prozent vom Messwert. Der Messbereich ist weit, Umrechnungen von 100:1 sind üblich. Ein- und Auslaufstrecken sind kaum erforderlich, weil das Messrohr die Strömung selbst formt.

Die Grenzen liegen in der Baugröße und im Medium. Ab etwa DN 150 steigen Preis und Gewicht deutlich, bei Gasen sinkt die Empfindlichkeit. Gasblasen und Feststoffe dämpfen die Rohrschwingung und verfälschen das Ergebnis. Das Programm für Durchflussmessung von Emerson zeigt, wie Hersteller Coriolis- und Ultraschallgeräte über verschiedene Nennweiten staffeln.

Ultraschall: Laufzeitdifferenz mit und ohne Rohrkontakt

Ultraschallgeräte messen die Laufzeitdifferenz zwischen einem Signal in Strömungsrichtung und einem gegen die Strömung. Aus der Differenz folgt die mittlere Geschwindigkeit. Bei Mehrpfadgeräten mitteln mehrere Schallwege über den Querschnitt, was die Unsicherheit senkt.

Clamp-on-Geräte werden von außen auf das Rohr gespannt und greifen nicht in die Leitung ein. Sie messen mit 1 bis 2 Prozent vom Messwert und eignen sich für Nachrüstungen. Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmessgeräte von FLEXIM arbeiten nach diesem Prinzip, benötigen aber Rohrwerkstoff, Wanddicke und Schallgeschwindigkeit als Eingabewerte.

Eingebaute Geräte erreichen 0,5 bis 1 Prozent vom Messwert. Der Druckverlust ist praktisch null. Voraussetzung ist ein voll gefülltes Rohr und eine voll ausgebildete Strömung, weshalb gerade Ein- und Auslaufstrecken einzuhalten sind.

Magnetisch-induktiv: Faraday-Gesetz für leitfähige Flüssigkeiten

Beim magnetisch-induktiven Verfahren wirkt das strömende Medium als Leiter in einem Magnetfeld. Die induzierte Spannung ist proportional zur Geschwindigkeit. Das Messrohr bleibt frei, es gibt keine Einbauten und keinen Druckverlust.

Die Messunsicherheit liegt typisch bei 0,2 bis 0,5 Prozent vom Messwert. Das Verfahren verarbeitet auch abrasive Medien und Feststoffanteile, weil keine bewegten Teile im Strom liegen. Voraussetzung ist eine ausreichende Leitfähigkeit, meist ab 5 Mikrosiemens pro Zentimeter, bei Sondergeräten darunter.

Reines Wasser, Kohlenwasserstoffe und viele Lösemittel fallen aus. Ablagerungen auf den Elektroden verfälschen das Signal, deshalb gehören Reinigung und Erdung zur regelmäßigen Instandhaltung.

Wirbelzähler: Frequenz aus der Karmanschen Wirbelstraße

Ein Staukörper im Rohr erzeugt alternierend Wirbel. Deren Frequenz ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Das Signal ist digital und damit wenig störanfällig gegenüber Temperaturdrift.

Wirbelzähler messen mit etwa 1 bis 2 Prozent vom Messwert und sind bei Dampf, Gasen und niedrigviskosen Flüssigkeiten verbreitet. Der nutzbare Messbereich umfasst meist 10:1 bis 20:1. Voraussetzung ist eine Mindest-Reynoldszahl, damit die Wirbelstraße stabil bleibt.

Vibrationen am Rohr wirken störend, deshalb sind kurze, abgestützte Leitungen günstig. Der Einbau erfordert lange Ein- und Auslaufstrecken, häufig 20 Rohrdurchmesser. Der bleibende Druckverlust fällt geringer aus als bei einer Blende.

Turbine: Drehzahl im strömenden Medium

Bei Turbinenzählern dreht die Strömung ein Flügelrad, dessen Drehzahl proportional zum Volumenstrom ist. Die Messunsicherheit liegt bei 0,5 bis 1 Prozent vom Messwert. Das Verfahren ist mechanisch einfach und in der Zählertechnik weit verbreitet.

Nachteile sind Verschleiß an Lagern und Flügelrad sowie die Empfindlichkeit gegen Feststoffe. Deshalb gehört ein Filter vor das Gerät. Für zähe Medien ist das Verfahren ungeeignet, weil sich die Kennlinie mit der Viskosität ändert. Eine regelmäßige Nachkalibrierung gehört zum Betrieb.

Blende und andere Differenzdruckgeber

Die Blende erzeugt einen Wirkdruck, der mit dem Quadrat des Volumenstroms steigt. Aus der Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite folgt der Durchfluss. Die Geometrie ist in der ISO 5167-2:2022 festgelegt, sodass eine Normblende ohne Einzelkalibrierung verwendbar ist.

Die Messunsicherheit liegt bei 1 bis 2 Prozent vom Messwert, der nutzbare Messbereich nur bei 3:1 bis 5:1. Der bleibende Druckverlust ist erheblich, weil die Blende den Querschnitt stark verengt. Venturirohre und Düsen senken den Verlust deutlich, kosten aber mehr.

Vorteile sind Robustheit, hohe Temperaturbeständigkeit und breite Verfügbarkeit. Dampfleitungen und große Gaskanäle sind typische Einsatzfelder. Scharfe Kanten verschleißen, deshalb sollte die Blende bei abrasiven Medien regelmäßig geprüft werden.

Vergleichstabelle: Messunsicherheit, Messbereich, Druckverlust

Normen und rechtliche Rahmenbedingungen

Die ISO 5167 beschreibt Differenzdruckverfahren für voll durchströmte Rohrleitungen. Teil 1 enthält die Grundgleichungen, Teil 2 die Blenden, Teil 3 Düsen und Venturidüsen, Teil 4 Venturirohre, Teil 5 Konusmessgeräte und Teil 6 Keilmesstrecken. Wer eine Blende auslegt, arbeitet mit diesen Teilen.

Für andere Verfahren gelten eigene Normen. Die ISO 10790 behandelt Auswahl und Einbau von Coriolisgeräten, die ISO 20456 magnetisch-induktive Geräte und die ISO 12242 Ultraschallmessgeräte für Flüssigkeiten. Im deutschsprachigen Raum ergänzt die VDI/VDE-Richtlinie 2641 die Normen zur Durchflussmessung in Rohrleitungen.

Eichpflichtige Messungen für Handel und Abrechnung unterliegen dem Mess- und Eichgesetz (MessEG). Es regelt das Inverkehrbringen, die Verwendung und die Eichung von Messgeräten sowie Fertigpackungen. Die EU-Messgeräterichtlinie 2014/32/EU definiert in den Anhängen MI-001 bis MI-005 die Anforderungen für Wasser-, Gas- und Wärmezähler sowie für Messanlagen für Flüssigkeiten.

Für eichpflichtige Geräte gelten zusätzlich die Empfehlungen der Internationalen Organisation für das gesetzliche Messwesen, etwa OIML R 49 für Wasserzähler und OIML R 137 für Gaszähler. Diese Dokumente beschreiben Prüfverfahren und Fehlergrenzen, auf die sich die Konformitätsbewertung stützt.

In explosionsgefährdeten Bereichen greift die Richtlinie 2014/34/EU für Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen. Sie regelt die Bereitstellung von Geräten für die Zonen 0, 1 und 2 sowie 20, 21 und 22. Für die Auswahl nach dem Inverkehrbringen ist zusätzlich die Betriebssicherheitsverordnung maßgeblich.

Einbaubedingungen in der Rohrleitung

Einbaubedingungen entscheiden oft stärker über das Messergebnis als die Gerätegüte. Diese Punkte gehören vor die Bestellung:

Blende und Wirbelzähler brauchen die längsten Strecken, weil sie ein symmetrisches Profil erwarten. Bei einer Blende werden je nach Störung 10 bis 20 Rohrdurchmesser vor dem Gerät gefordert. Magnetisch-induktive Geräte kommen mit kürzeren Strecken aus.

Clamp-on-Ultraschallgeräte verlangen saubere Rohroberflächen in gutem Zustand. Lose Farbschichten oder Verkrustungen brechen das Signal. Bei eingebauten Ultraschallsensoren sind Gasblasen problematisch, weil sie den Schall streuen.

In explosionsgefährdeten Bereichen bestimmen Zone und Temperaturklasse die Geräteauswahl. Messumformer in der Zündschutzart Eigensicherheit benötigen passende Trennverstärker und eine dokumentierte Erdung. Die Kennzeichnung auf dem Typenschild muss zur Zone passen.

Rechenbeispiel: Druckverlust und Pumpenleistung in DN 200

Das folgende Rechenbeispiel zeigt, was der Druckverlust im Betrieb kostet. Angenommen werden Wasser mit 1000 Kilogramm je Kubikmeter, ein Volumenstrom von 100 Kubikmetern pro Stunde und eine Leitung DN 200.

Die Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich aus Volumenstrom geteilt durch Querschnittsfläche. Bei DN 200 beträgt die Fläche rund 0,0314 Quadratmeter, die Geschwindigkeit also etwa 0,88 Meter pro Sekunde. Die Reynoldszahl liegt bei rund 180.000, die Strömung ist turbulent.

Eine Normblende mit Durchmesserverhältnis 0,6 erzeugt bei diesem Durchfluss eine Wirkdruckdifferenz von rund 70 Millibar. Der bleibende Druckverlust liegt bei etwa 44 Millibar, weil ein Teil des Drucks hinter der Blende verloren geht.

Die hydraulische Verlustleistung beträgt damit rund 120 Watt. Bei 8000 Betriebsstunden im Jahr summiert sich das auf knapp 1000 Kilowattstunden. Mit einem angenommenen Strompreis von 0,20 Euro pro Kilowattstunde kostet der Druckverlust etwa 200 Euro netto pro Jahr zuzüglich Mehrwertsteuer. Pumpenwirkungsgrad und Motorverluste sind nicht eingerechnet, der reale Aufwand liegt höher.

Ein magnetisch-induktives oder ein Ultraschallgerät hätte an dieser Stelle nur die Rohrreibung als Verlust, also wenige Millibar. Die höheren Anschaffungskosten amortisieren sich über die Energieeinsparung. Bei großen Nennweiten und langer Laufzeit verschiebt sich die Rechnung deutlich zugunsten der druckverlustfreien Verfahren.

Geräte und Anbieter im Überblick

Der Markt für Durchflussmessung ist breit aufgestellt. Sechs Anbieter decken zusammen einen großen Teil der industriellen Anwendungen ab.

Endress+Hauser führt Coriolisgeräte der Reihe Proline Promass, magnetisch-induktive Geräte der Reihe Promag, Ultraschallgeräte der Reihe Prosonic Flow und Wirbelzähler der Reihe Prowirl.

Krohne bietet mit OPTIMASS Coriolisgeräte, mit OPTIFLUX magnetisch-induktive Geräte, mit ALTOSONIC Ultraschallgeräte und mit OPTISWIRL Wirbelzähler an. Eine Produktseite zu Durchflussmessgeräten von Krohne bündelt die Verfahren an einer Stelle.

Siemens gruppiert seine Geräte unter SITRANS F, ABB unter CoriolisMaster, ProcessMaster, VortexMaster und WaterMaster. Emerson vertreibt Coriolisgeräte der Marke Micro Motion, Wirbelzähler und Differenzdruckgeber von Rosemount sowie Ultraschallgeräte für Gas. Sick ist mit den FLOWSIC-Ultraschallgeräten vor allem im Gassektor vertreten.

Für die Auswahl zählt weniger die Marke als die Passung. Entscheidend sind verfügbare Nennweiten, Werkstoffe, Zulassungen und der Service vor Ort. Wer mehrere Angebote vergleicht, sollte dieselben Randbedingungen abfragen und die Messunsicherheit einheitlich auf den Messwert beziehen.

Signalausgabe und Datenerfassung

Durchflussmessgeräte geben den Messwert heute parallel über mehrere Schnittstellen aus. Üblich sind ein analoges Signal von 4 bis 20 Milliampere, ein Impulsausgang für die Mengenzählung und ein digitaler Kanal für Diagnose und Parametrierung.

Das analoge Signal überträgt den Momentanwert, der Impulsausgang die Summe. Die Impulswichtung, also die Menge je Impuls, sollte so gewählt werden, dass bei kleinem Durchfluss noch ausreichend Impulse ankommen. Zu grobe Wichtungen führen zu Fehlern in der Bilanzierung.

Für die Datenerfassung stehen HART, Modbus RTU und TCP, PROFIBUS PA, PROFINET und Ethernet-APL zur Verfügung. Digitale Protokolle liefern neben dem Messwert auch Diagnoseinformationen, etwa den Zustand der Elektroden oder den Abgleich der Messrohre.

Wer Messwerte abrechnet, benötigt rückführbare Kalibrierungen. Eine Werkskalibrierung des Herstellers genügt für viele Prozessanwendungen. Eine akkreditierte Kalibrierung ist bei Audits und Streitfällen die belastbarere Grundlage.

Auswahl in fünf Schritten

Häufige Fragen

Wann ist Ultraschall die bessere Wahl als magnetisch-induktiv?

Wenn das Medium nicht leitfähig ist oder die Leitung nicht geöffnet werden darf. Clamp-on-Geräte messen dann von außen, allerdings mit 1 bis 2 Prozent vom Messwert statt 0,2 bis 0,5 Prozent.

Welche Norm gilt für eine Blende?

Die ISO 5167-2:2022 beschreibt Blenden mit genormten Abgriffen. Teil 1 enthält die Grundgleichungen und die Bedingungen für die Ein- und Auslaufstrecken.

Wie lang muss die Einlaufstrecke sein?

Das hängt vom Verfahren und von der Störung ab. Vor einer Blende oder einem Wirbelzähler werden bei ungünstiger Zuströmung bis zu 20 Rohrdurchmesser gefordert, vor magnetisch-induktiven Geräten deutlich weniger.

Wann braucht ein Durchflussmessgerät eine Eichung?

Wenn der Messwert Grundlage einer Abrechnung ist, etwa bei Wasser-, Gas- oder Wärmezählern. Dann greifen das Mess- und Eichgesetz sowie die Anhänge der EU-Messgeräterichtlinie.

Welches Verfahren eignet sich für Dampf?

Blende, Düse und Wirbelzähler in Hochtemperaturausführung. Bei sehr hohen Temperaturen und großen Nennweiten ist die Blende die robusteste Wahl.